Недавно исследователи из Стэнфордского университета (США) добились ключевого прогресса в области твердотельных литиевых батарей. Они обнаружили, что нанесение ультратонкого слоя серебряного покрытия на поверхность твердого электролита с помощью процесса отжига эффективно подавляет образование трещин в электролите, значительно повышая его долговечность. Исследование, совместно возглавляемое доцентом кафедры машиностроения Венди Гу и профессором Уильямом Чуэ, директором Института энергетики Прекурта, было недавно опубликовано в авторитетном научном журнале Nature Materials.
В течение долгого времени литий-металлические батареи с твердым электролитом рассматривались как технология хранения энергии следующего поколения благодаря их более высокой безопасности, плотности энергии и скорости зарядки. Однако их ключевой материал — керамический твердый электролит (например, LLZO), позволяющий перемещение ионов лития, — является хрупким и твердым, и в процессе производства и использования в нем легко образуются микро- и даже наноразмерные трещины. Эти дефекты во время циклов работы батареи, особенно при быстрой зарядке, могут стать точками проникновения литиевого металла внутрь, образуя дендриты, что в конечном итоге приводит к короткому замыканию и выходу батареи из строя. Производство полностью бездефектных многослойных структур батарей чрезвычайно дорого и почти невозможно, поэтому поиск практического метода усиления поверхности и предотвращения распространения трещин имеет решающее значение.
Основываясь на предыдущих исследованиях механизма образования трещин, команда Стэнфорда инновационно применила поверхностную обработку с использованием серебра в ионной форме (Ag+). Они нанесли на поверхность электролита LLZO слой серебра толщиной всего 3 нанометра, после чего провели отжиг при температуре 300 градусов Цельсия. Термическая обработка привела к диффузии атомов серебра на глубину от 20 до 50 нанометров под поверхность электролита, где они заместили более мелкие атомы лития в кристаллической решетке и остались в виде положительно заряженных ионов серебра. Это «нанодопирование серебром» фундаментально изменило способ зарождения и распространения трещин. Эксперименты показали, что механическая устойчивость обработанной поверхности электролита к разрушению увеличилась почти в пять раз. Кроме того, присутствие ионов серебра эффективно препятствует проникновению литиевого металла внутрь существующих дефектов, подавляя рост разрушительных литиевых дендритов, что значительно повышает стабильность электролита в жестких условиях, таких как быстрая зарядка.
Данное исследование предлагает новую и многообещающую стратегию поверхностной инженерии для разработки долговечных, устойчивых к отказам электролитов для твердотельных батарей следующего поколения. Исследование показывает, что этот метод ультратонкого покрытия может быть расширен на более широкий спектр керамических материалов путем поверхностного легирования с использованием металлических ионов, больших, чем ионы лития (например, меди, но серебро работает лучше), для повышения их стабильности в экстремальных электрохимических и механических условиях. В перспективе исследовательская группа работает над проверкой масштабируемости и долгосрочных циклических характеристик этой технологии в полноценных батареях, а также исследует возможность ее применения к другим системам твердых электролитов, таким как серосодержащие. Это исследование также может вдохновить на развитие технологий натриевых батарей для снижения давления на цепочку поставок литиевых ресурсов.
Подробности публикации: Название: «Механические свойства внедрения ионов лития в хрупких твердых электролитах под влиянием гетеролегирования нанопокрытием», опубликовано в Nature Materials (2026), Информация о журнале: Nature Materials
